[发明专利]一种基于单片机的低成本鉴相型的φ-OTDR系统

说明书

本发明公开了一种基于单片机的低成本鉴相型的系统，包括窄线宽激光器、强度调制器、掺铒光纤放大器、环形器、1x2耦合器、延时光纤、3x3耦合器、三个光电探测器、三个采样保持器、单片机。本发明通过分别使用价格低廉的微处理器、采样保持器代替原有的较为昂贵设备，配合专门的低运算量的相位解调算法，在不影响原有系统性能的情况下尽可能地降低了系统成本。

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体而言涉及一种基于单片机的低成本鉴相型的φ-OTDR系统。

背景技术

分布式光纤声学传感(Distributed Acoustic Sensor，DAS)利用整条光纤作为信号的传感介质和传感单元，能够实时连续地测量光纤沿线的参数变化，具有体积小、抗电磁干扰、对恶劣环境牢靠耐用等优点。在许多应用中，特别是在管道安全等远程应用以及石油和天然气井等恶劣环境中，都是一个很有前途的解决方案。

目前，DAS系统的实现主要是基于相位敏感光时域反射技术(phase-sensitiveOptical Time Domain Reflectometry，φ-OTDR)，通过探测传感光纤中背向瑞利散射光的相位变化来感知外界扰动信息。光纤受扰动后，相应位置光程会发生变化，从而导致受扰动的光纤段两端产生的瑞利散射光相位差发生变化。理论上，受扰动的光纤段两端产生的瑞利散射光相位差与扰动存在线性关系，所以可以通过解调该相位差的变化实现对扰动幅度的定量测量，这就是DAS的传感原理。根据解调相位方式的不同，DAS系统结构主要有外差相干探测、三端口耦合探测、相位生成载波等。不同的解调算法各有优劣，其中基于3×3耦合器的相位解调(又称低成本鉴相型)是通过引入两臂之间存在120°相位差的3×3耦合器并结合干涉结构来实现相位解调的，适用于直接探测光路，受偏振噪声影响较小，但对器件一致性要求较高。

传统的三端口耦合探测的φ-OTDR系统结构主要包含窄线宽激光器(NLL)、声光调制器(AOM)、掺铒光纤放大器(EDFA)、3x3耦合器(OC)、三个光电探测器(PD)等不可缺少的光电器件，以及数采卡(DAQ)、数据处理端(一般为PC)等数据采集和处理设备。

为了更好更快地解调得到相位信息，一般需要高采样率的数采卡和配置高、性能好的PC设备，而这样性能的相应设备往往价格高昂，使得整个DAS设备的价格居高，限制了DAS设备在一些成本敏感的应用场景里的使用。

发明内容

本发明针对现有DAS设备成本高昂的问题，提供一种基于单片机的低成本鉴相型的φ-OTDR系统，通过分别使用价格低廉的单片机、采样保持器代替原有的PC、DAQ设备，配合专门的低运算量的相位解调算法，在不影响原有系统性能的情况下尽可能地降低了系统成本。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明实施例提出了一种基于单片机的低成本鉴相型的φ-OTDR系统，所述φ-OTDR系统包括窄线宽激光器、强度调制器、掺铒光纤放大器、环形器、1x2耦合器、延时光纤、3x3耦合器、三个光电探测器、三个采样保持器和单片机；

所述强度调制器的输入端与窄线宽激光器连接，输出端与掺铒光纤放大器连接，强度调制器用于将窄线宽激光源产生的具有高相干特性的连续激光调制为相应的脉冲光，由单片机控制该脉冲光的重复频率、脉冲宽度和触发机制；强度调制器发出的脉冲光经掺铒光纤放大器放大后进入环形器；环形器的其中一个输出端与1x2耦合器连接，另一个输出端与待测光纤连接；

所述1x2耦合器将环形器返回的探测信号均分成功率相等的两路探测光，其中一路探测光经过延时光纤延时后和另一路探测光分别入射至3x3耦合器，由3x3耦合器耦合后再次均分成三路光信号，且三路光信号分别入射至三个光电探测器；

所述三个光电探测器的输出端一一对应地与三个采样保持器连接，三个光电探测器的设备参数相同，将3x3耦合器耦合输出的三路光信号转换为相应的光电流信号后输出至三个采样保持器；